全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第4期，2005年8月 461
转玉米pepc基因水稻的某些光合特性
何立斌1,2,* 李平1,** 向珣朝1 李季航1 张楷正1
1 四川农业大学水稻研究所，四川温江 611130；2 合肥丰乐种业股份有限公司，合肥 230031
提要 测定转玉米 pepc 基因水稻和未转化粳稻品种 Kitaake 在分蘖初期、分蘖盛期、拔节期、始穗期、齐穗期、成熟期和
剑叶不同生长时期的光合特性动态变化的结果表明: 转玉米pepc基因水稻的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性和净
光合速率(Pn)在不同时期各不相同，相对于 Kitaake 而言，均有不同程度的提高；剑叶完全展开时的 PEPCase 活性和 Pn 提
高最明显。
关键词 水稻；玉米 pepc 基因；高光效育种；光合生理特性；动态研究
Some Photosynthetic Characteristics in Transgenic Rice with Maize Phospho-
enolpyruvate Carboxylase Gene (pepc)
HE Li-Bin1,2,*, LI Ping1,**, XIANG Xun-Chao1, LI Ji-Hang1, ZHANG Kai-Zheng1
1Rice Research Institute, Sichuan Agricultural University, Wenjiang, Sichuan 611130, China; 2Hefei Fengle Seed Co. Ltd, Hefei
230031, China
Abstract The dynamics of photosynthetic characteristics in leaves of transgenic rice plants with maize phos-
phoenolpyruvate carboxylase gene (pepc) and untransformed rice cv. “Kitaake” were determined at initial-
tillering stage, full-tillering stage, jointing stage, begin-heading stage, heading stage, maturing stage and six
different growing stages of flag leaves. The results indicated that the levels of PEPCase activity and the net
photosynthesis rate (Pn) of transgenic rice increased to some extent as compared with untransformed rice at
during whole development stages. It proved that the maize pepc in transgenic rice had been expressed. The
PEPCase activity and the Pn of transgenic rice expressed highest at flag leaf complete outspreading.
Key words rice; maize pepc; high photosynthetic efficiency breeding; photosynthetic characteristics; dyamic
study
收稿 2004-09-24 修定　2004-12-27
资助 国家“863”计划(2 00 3 A A 2 1 2 0 3 0 )。
*E-mail: ricehlb@163.com, Tel: 028-82741635
** 通讯作者(E-mail: liping@cngk.com, Tel: 028-
82741177)。
一般认为，现有水稻高产品种的光能利用率
为1.0%~1.5%，其理想的光能利用率为3%~5%[1]。
如何提高C3 植物的光合效率，人们曾尝试用同室
效应筛选C3与C4植物[2]或 C4与 C3植物杂交[3]等途
径，期望能将 C 4 植物的高光合速率、低光呼吸
等优良的光合特性导入C3植物中以提高C3植物的
光合效率。多年来, 已经明确属内C4 光合特性可
在 C3 植物中传递，但 C4 玉米和 C3 水稻杂交方法
并未能获得预期效果[4]。近年来，随着生物技术
的发展，解决这一问题有了可能。有研究表明 C4
光合作用的关键不在于它的 Kranz 解剖结构，而
是控制C4 途径中的关键性酶[5]。Ku 等[6]采用农杆
菌介导系统，已经成功地将玉米 C 4 途径中促进
CO2 固定的关键酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPCase)基因导
入C3植物水稻粳稻品种Kitaake中，并得到相当或
高于玉米的表达水平。焦德茂[7]、李霞等[8]和王
德正等[9]曾研究过转 pepc 基因水稻的光合特性，
但这类的研究多数是针对转玉米pepc基因水稻孕穗
期或抽穗期的某个特定的生长时期进行的，而对
其整个生育时期的光合特性的研究未见报道。本
文就转玉米pepc基因水稻的几个关键生长时期的光
合特性做了研究，希望能进一步揭示控制C4 植物
光合作用的关键酶pepc基因在导入C3植物水稻后的
光合生理特性变化，以供水稻高光效育种参考。
材料与方法
转pepc基因水稻由江苏农科院遗传生理研究
所焦德茂先生提供。转pepc水稻的原始受体材料
植物生理学通讯 第41卷 第4期，2005年8月462
是日本北海道的粳稻(Oryza sativa L.)品种Kitaake。
实验于四川温江四川农业大学水稻研究所试验基地
进行，4 月 21 日播种，三叶期时移栽于盆钵中，
每盆栽插 2 株，共 3 6 盆，同于大田管理。
PEPCase活性测定参照Kung等[10]和Gonzalez
等[11]的方法。上午9:30~10:00，取不同生长时期
主茎的倒数第二叶和剑叶不同时期的剑叶0.25 g，
加入适量提取液[50 mmol·L-1 Tris-HCl (pH 7.5)、1
mmol·L-1 MgCl2、5 mmol·L-1 DTT、5% 甘油]，在
冰冻条件下迅速充分研磨，滤液以 13 000×g 离心
10 min, 取上清液测酶活性。反应总体积1 mL, 含
50 mmol·L-1 HEPES-KOH (pH 8.0)缓冲液、10
mmol·L-1 NaHCO3、5 mmol·L-1 MgCl2、0.2 mmol·L-1
NADH、2 mmol·L-1 磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)、1.5
U 苹果酸脱氢酶，加适量提取液。加入 PEP 开始
计时，在754紫外分光光度计上记录波长340 nm
处光密度变化，测试温度为 3 0 ℃，据此计算
PEPC a s e 活性。测定时期有：分蘖初期、分蘖
盛期、拔节期、始穗期、齐穗期及成熟期和剑
叶生长的不同时期，每个时期分别测定 5 株。其
中，剑叶不同时期的测定是从剑叶完全展开时开
始，每隔 7 d 测定 1 次，到第 35 天为止。
净光合速率(Pn)测定用美国LI-COR公司生产
的便携式光合测定系统LI-6400，于早上10:00左
右进行，人工控制条件为：CO2 浓度 400 mmol·
mol-1，30℃，光照度1 200 mmol(光量子)·m-2·s-1，
测定不同生长时期主茎的倒数第2叶的 Pn 以及剑
叶在不同时期的Pn。测定时期与PEPCase 活性测
定同步，每个时期测定5株，每株重复测定3次。
实验结果
1 转pepc基因水稻和粳稻品种Kitaake不同生育
期PEPCase 活性和 Pn 的比较
从图 1 可见：
(1) 转pepc基因水稻的PEPCase酶活性在6个
时期都显著高于Kitaake，以拔节期PEPCase活性
最高，成熟期最低。6 个生育期中，转 pepc 基
因水稻的 PEPCase 活性分别是 Kitaake 的 4.47~
25.26 倍，其中齐穗期提高的幅度最大，而成熟
期相对提高的幅度最小(图1-a)。这说明转pepc基
因工程有可能成为提高水稻光合能力的一条有效
的生物技术途径。
(2) 转pepc基因水稻的Pn由分蘖初期逐渐上
升，始穗期最大，然后逐渐下降；Kitaake 的 Pn
则是从分蘖盛期才逐渐上升，拔节期最大，然后
逐渐下降。转 pepc 基因水稻的 Pn 除了分蘖初期
外，其余时期均高于Kitaake，这与李霞等[8]报道
转pepc基因水稻在生育后期Pn比Kitaake提高50%
的结果相似(图 1-b)。
2 转pepc基因水稻和粳稻品种Kitaake剑叶不同
时期光合生理特性的比较
水稻籽粒中2/3以上的干物质是开花后通过光
合作用获得的[12]，而水稻最后3片称为功能叶的
在产量形成中最重要，三者之中又以剑叶的功能
最为突出。图 2 显示：
(1) 转pepc基因水稻从剑叶完全展开时到展开
后35 d内的PEPCase活性均显著高于Kitaake，其
变化趋势为：剑叶完全展开时 PEPCase 活性最
大，然后下降，21 d 后又骤然上升，28 d 后才
逐渐下降，呈现波动变化态势(图 2-a)。
(2) 转pepc基因水稻和Kitaake在剑叶完全展
开时的 P n 均最大，随后均呈波浪式的下降，转
pepc基因水稻波动幅度明显小于Kitaake。但转pepc
基因水稻剑叶从完全展开至展开后35 d内的Pn均
图1 不同生育期的转pepc基因水稻和粳稻品种
Kitaake的PEPCase活性和Pn
Fig.1 The PEPCase activities and the Pn of the transgenic
rice and cv. Kitaake at different development stages
植物生理学通讯 第41卷 第4期，2005年8月 463
比Kitaake的高(图2-b)。这显示通过转pepc基因
生物技术途径可以提高水稻的光合速率。
讨　　论
Ku等[6]通过农杆菌介导系统，曾获得了高表
达的高光合效率的转pepc基因水稻。焦德茂[7]和
李霞等[8]在选育该转pepc基因水稻中获得了第7代
稳定种质，他们的后续研究结果表明转pepc基因
水稻在孕穗或抽穗期的PEPCase活性比Kitaake高
24 倍，Pn 比 Kitaake 高 50%。本文测定几个生育
关键时期转pepc基因水稻和Kitaake光合生理特性
的结果表明，转 pepc 基因水稻在分蘖初期、分
蘖盛期、拔节期、始穗期、齐穗期及成熟期 6 个
时期和剑叶不同生长时期的 PEPCase 活性各不相
同，但均显著高于Kitaake，转玉米pepc基因水
稻的PEPCase 活性在拔节期和剑叶完全展开时得
到最充分的表达，齐穗期活性提高的幅度最大。
相应地，转玉米pepc基因水稻的Pn除分蘖初期相
近以外，其它 5 个时期和剑叶不同生长时期均比
Kitaake高，剑叶完全展开时最大。C3作物中仅导
入一个玉米的pepc基因就能显著提高水稻几个主
要生育时期的光合速率，其在水稻中的表达机制
和稻生长不同时期的玉米 pepc 基因表达运行机
制，都值得深入研究。
季本华等[13]研究认为，Kitaake叶片中具有一
个原初的和有限的C4光合微循环，外源pepc基因
导入Kitaake后，可大幅度提高C4光合微循环，而
水稻中 C 4 光合微循环的增强可以降低光呼吸速
率，因而有利于提高Pn。本文在Kitaake 生长的
几个关键时期，也都或多或少测定到一定水平的
PEPCase活性，而导入pepc基因后其PEPCase活
性和 Pn 即明显提高。这种用基因工程创造的新种
质是否有类似初级的C3~C4中间型的某些生理表现[14]，
也待研究。
此外，转玉米pepc基因水稻不同生育时期的
光合生理特性不尽相同，这启示我们筛选高光效
育种材料时应尽量在PEPCase活性和Pn等光合指标
达到最大时进行比较好。从本文结果来看，剑叶
完全展开时的转玉米pepc 基因水稻，其PEPCase
活性和 Pn 均最高，因而在这一时期测定高光效材
料的各种光合生理指标的效果可能较理想。
参考文献
1 邱国雄. 植物光合作用的效率. 见: 余叔文主编.植物生理与
分子生物学. 北京: 科学出版社, 1992. 236~243
2 Menz KM, Moss DM, Cannel RQ et al. Screening for photo-
synthetic efficiency. Crop Sci, 1969, 9: 692~694
3 Björkman O, Nobs M, Berry JA. Further studies on hybrids
between C3 and C4 species of Atriplex. Carnegie Inst Washing-
ton Yearb, 1971, 70: 507~511
4 李霞, 焦德茂, 戴传超等. 转育PEPC基因的杂交水稻的光
合生理特性. 作物学报, 2001, 27(2): 137~143
5 滕胜, 钱前, 黄大年. C4途径的分子生物学和基因工程研究
进展. 农业生物技术学报, 2001, 9(2): 198~201
6 Ku SBM, Sakiko A, Mika N et al. High level expression of
maize phosphoenolpyruvate carboxylase in transgenic rice
plants. Nature Biotech, 1999, 17: 76~80
7 焦德茂著. 运用光合机理揭示生理育种途径. 北京: 中国农
业出版社, 2002. 1~57
8 李霞, 吴爽, 焦德茂等. 转pepc基因水稻的选育. 江苏农业
学报, 2001, 17(3): 143~147
9 王德正, 迟伟, 王守海等. 转C4光合基因水稻特征特性及其
在两系杂交稻育种中的应用. 作物学报, 2004, 30(3):
248~252
10 Kung SD, Chollet R, Marsho TV. Crystallization and assay
procedures of tobacco ribulose 1,5-bisphosphate carboxy-
lase-oxygenase. Method Enzymol, 1980, 69: 326~335
11 Gonzalez DH, Iglesias AA, Andreo CS. On the regulation of
phosphoenolpyruvate carboxylase activity from maize leaves
by L-malate: Effect of pH. Plant Physiol, 1984, 116: 425~430
12 殷宏章, 沈允钢, 陈因等. 水稻开花后干物质的累积和运转.
植物学报, 1956, 5(2): 125~142
13 季本华, 朱素琴, 焦德茂. 转玉米C4光合酶基因水稻株系中
的光合C4微循环. 作物学报, 2004, 30(6): 536~543
14 焦德茂, 李霞, 黄雪清等. 转pepc基因水稻的光合CO2同化
和叶绿素荧光特性. 科学通报, 2001, 46(5): 414~418
图2 剑叶生长不同时期转pepc基因水稻和粳稻品种
Kitaake的 PEPCase活性和Pn
Fig.2 The PEPCase activities and the Pn of the transgenic rice
and cv. Kitaake at different growing stages of flag leaves